《自然-通讯》刊登肖敏、姜校顺研究团队在片上光学隔离器方面的研究成果

       最近,南京大学“千人计划”肖敏教授与现代工程与应用科学学院姜校顺副教授领导的研究小组在芯片集成的光学隔离器方面取得重要进展,研究成果以“Demonstration of a chip-based optical isolator with parametric amplification”为题于20161125日发表在《自然-通讯》期刊上(Nat. Commun. 7, 13657 (2016))。论文的第一作者是现代工程与应用科学学院的博士生华士跃同学,指导老师是姜校顺和肖敏老师,耶鲁大学的合作者温建明博士和蒋良教授在理论上为本工作提供了支持。研究生华乾对该工作的样品制备和测量做出了贡献。

与电子二极管在电子线路中的作用一样,光学二极管(或隔离器)在光路中的作用及其重要。如保护激光不受反射光的影响,隔离/降低杂散光在不同光学原件之间的干涉及相互作用等。不同于电子运动,光的空间传输在一般情况下是互易的。目前,能很好打破光传输互易特性的方法是利用特定材料的法拉第磁光效应,实现光的二极管功能,用于隔离光的反向传输。但集成的光子芯片,却难以利用这种传统的磁光效应来隔离光(仍有一定尺寸,损耗较大,外在磁场很难小型化和局部化等)。因而发展新型的(非磁)光学隔离器对于全光集成处理系统变得至关重要。近年来,科学家尝试采用各种物理机制去实现芯片集成的非互易光学传输,其中一种方法是利用光学非线性。然而,由于光的动力学互易性(2015年由美国斯坦福大学Shanhui Fan教授等人提出),绝大部分基于非线性过程的非互易光学传输不能用于实际的光学隔离-即当一定强度的光从正反方向同时输入时,光的传输变成了互易!这一非线性过程的光动力学互易原理从理论上限制了一般非线性系统在光学隔离中的应用(如激光保护、光信号处理等)。

肖敏、姜校顺研究团队设计并从实验上验证了一种基于单个高品质因子光学微腔中非线性参量放大过程的光学隔离器,首次在实验上实现了在不同强度正反方向光同时输入时的光学隔离。这一器件的工作原理(如图1所示)是基于信号光在微腔中正向(与泵浦光同向)传播与反向传播时所满足的不同动量(位相)匹配条件,从而使得只有一个方向(正向)的光能满足参量放大条件,从而导致了光的非互易传输。该隔离器具有良好的隔离性能(如图2所示),可以在维持低插入损耗的条件下(约4 dB),获得较高的光学隔离度(大于15 dB)。这种基于片上非磁光学隔离器的演示,为光学二极管在集成芯片中的应用打开了一扇新的大门。


1: 实验原理图及测量系统


2: 光学隔离特性


该研究得到了科技部量子调控重大研究计划(973)、国家自然科学基金、江苏省杰出青年基金等项目的支持。

(现代工程与应用科学学院 科学技术处)